Armoniche e declassamento: Come i carichi VFD modificano la selezione dei trasformatori

Gli azionamenti a frequenza variabile assorbono la corrente in impulsi anziché in onde sinusoidali uniformi, e questa differenza fondamentale impone un ripensamento completo del dimensionamento dei trasformatori. Un trasformatore da 500 kVA che alimenta carichi VFD può intervenire per sovraccarico termico a soli 65% di capacità apparente. La discrepanza tra i valori nominali di targa e le prestazioni reali coglie molti progettisti alla sprovvista.

Il problema ha origine nello stadio di ingresso del VFD. I raddrizzatori a diodi a sei impulsi, presenti in oltre 90% di inverter industriali, conducono la corrente solo durante i brevi picchi di ciascun semiciclo CA. Questo crea correnti armoniche a frequenze prevedibili, di cui i valori nominali dei trasformatori standard non tengono conto.

Perché i carichi dei VFD creano problemi di dimensionamento dei trasformatori

I VFD convertono la corrente alternata in ingresso in corrente continua attraverso un ponte raddrizzatore, quindi sintetizzano un'uscita a frequenza variabile per il controllo del motore. Questa conversione non lineare assorbe corrente in impulsi discreti sincronizzati con la carica del condensatore del bus CC. La forma d'onda risultante contiene la componente fondamentale a 50 o 60 Hz più le armoniche che seguono l'andamento h = 6n ± 1.

Spettro armonico tipico di un VFD a 6 impulsi:

La distorsione armonica totale combinata in corrente (THD-I) varia in genere da 35% a 80% per gli inverter standard a sei impulsi. In alcuni impianti con più VFD di piccole dimensioni, la THD-I supera i 90%.

Secondo la norma IEEE 519-2022 (Recommended Practice for Harmonic Control), la distorsione di tensione nel punto di accoppiamento comune deve rimanere inferiore a 5% THD-V per i sistemi generici e a 3% per le apparecchiature sensibili. I limiti di distorsione di corrente dipendono dal rapporto tra la corrente di cortocircuito (I_SC) alla corrente di carico (I_L), con limiti più severi per i sistemi più deboli dove I_SC/I_L < 20.

Le configurazioni a più impulsi riducono ma non eliminano le armoniche. I convertitori a dodici impulsi raggiungono un THD-I di 8-15%, mentre quelli a diciotto impulsi arrivano a 5-8%. I convertitori di frequenza Active Front End (AFE) si spingono al di sotto di 5% THD-I, ma comportano un notevole aumento dei costi. I convertitori di frequenza standard a sei impulsi rimangono dominanti, rendendo essenziale la scelta del trasformatore consapevole delle armoniche.

Come le correnti armoniche moltiplicano le perdite dei trasformatori

I valori nominali dei trasformatori presuppongono un flusso di corrente sinusoidale. Le correnti armoniche creano perdite aggiuntive che i valori nominali standard ignorano completamente.

Perdite per correnti parassite negli avvolgimenti

Le perdite per correnti parassite scalano sia con l'ampiezza della corrente al quadrato che con l'ordine delle armoniche al quadrato. La quinta armonica a 30% genera 0,30² × 5² = 2,25× il contributo di perdita per unità di corrente rispetto alla frequenza fondamentale. La settima armonica a 20% aggiunge 0,20² × 7² = 1,96× perdite aggiuntive.

Le perdite per correnti parassite aumentano proporzionalmente al quadrato dell'ordine delle armoniche: P_CE ∝ I_h² × h², dove I_h rappresenta la grandezza della corrente armonica e h rappresenta l'ordine armonico. Una corrente di 5a armonica di 20% di grandezza fondamentale contribuisce alle perdite per correnti parassite in misura 25 volte superiore a quanto suggerito dalla sua grandezza apparente.

Effetto pelle nei conduttori

Le correnti ad alta frequenza si dirigono verso le superfici dei conduttori, riducendo l'area della sezione trasversale effettiva. A 350 Hz (settima armonica), la profondità della pelle nel rame si riduce a circa 3,5 mm rispetto ai 9,4 mm della fondamentale a 50 Hz. Questo aumenta la resistenza alla corrente alternata di un fattore compreso tra 1,5 e 3,0 alle armoniche più alte.

Perdite di dispersione nei componenti strutturali

Il flusso armonico si collega alle pareti del serbatoio, ai morsetti del nucleo e ai tiranti. Le immagini termiche sul campo hanno rivelato punti caldi che superano i 120°C sui serbatoi dei trasformatori standard quando servono carichi VFD superiori alla capacità di targa del 60% senza una corretta classificazione del fattore K. Queste temperature localizzate sfuggono al rilevamento dei sensori di temperatura degli avvolgimenti standard. Queste temperature localizzate sfuggono al rilevamento dei sensori di temperatura degli avvolgimenti standard.

Un trasformatore che mostra un carico di 70% su un amperometro standard può subire perdite interne equivalenti a un carico di 95-110% in presenza di armoniche. Questo spiega gli interventi termici prematuri che lasciano perplesse le squadre di manutenzione che si aspettano un margine adeguato.

[Expert Insight: Osservazioni sul campo dello stress termico].

• I trasformatori con capacità di targa 80% con carichi VFD funzionano costantemente a 15-25°C in più rispetto a unità identiche con carichi lineari.
• Le temperature dei punti caldi dell'avvolgimento aumentano di 8-15°C rispetto alle previsioni quando il THD-I supera 35%
• L'invecchiamento dell'isolamento accelera drasticamente: ogni aumento di 10°C dimezza circa l'aspettativa di vita.
• Un ronzio udibile a frequenze superiori al normale ronzio di 100/120 Hz indica una sollecitazione armonica

Valori del fattore K: Abbinare la capacità del trasformatore al carico armonico

Il fattore K quantifica la capacità di un trasformatore di gestire il riscaldamento armonico come un unico parametro di declassamento. Il calcolo pondera le correnti armoniche per la frequenza al quadrato, riflettendo la fisica della generazione di perdite per correnti parassite.

Il calcolo del fattore K segue la formula: K = Σ(I_h)² × h², dove I_h rappresenta la grandezza della corrente armonica unitaria e h indica l'ordine delle armoniche. Per i VFD a sei impulsi, le armoniche caratteristiche si verificano agli ordini 5, 7, 11, 13, 17 e 19. Un tipico VFD a sei impulsi produce fattori K compresi tra 9 e 13, mentre le configurazioni a dodici impulsi producono generalmente fattori K compresi tra 4 e 6 a causa della cancellazione della quinta e settima armonica.

I trasformatori standard sono progettati per K-1 (carico sinusoidale puro). I trasformatori classificati K incorporano specifiche contromisure di progettazione:

• Conduttori di neutro sovradimensionati (200% di capacità di fase) per la somma armonica triplice
• Nuclei a densità di flusso ridotta funzionante a 1,5 T rispetto a 1,7 T per le unità standard
• Sezioni trasversali dei conduttori più piccole con percorsi paralleli aumentati per ridurre l'effetto pelle
• Spaziatura dei condotti di raffreddamento migliorata tra gli strati di avvolgimento
• Conduttori trasposti o a trasposizione continua (CTC) per equalizzare la distribuzione della corrente.

Matrice di selezione dei fattori K:

Per gli impianti che richiedono una tolleranza armonica senza problemi di manutenzione dell'olio, trasformatore a secco I progetti offrono opzioni con classificazione K, con sistemi di isolamento impregnati sotto vuoto o in resina fusa, classificati per il funzionamento in Classe H (180°C).

Come declassare i trasformatori standard per il servizio VFD

Quando l'acquisto di trasformatori con classificazione K non è fattibile - situazioni di retrofit, vincoli di budget o livelli di armoniche moderati - la derubricazione di trasformatori standard offre un percorso alternativo.

IEEE C57.110 (Recommended Practice for Establishing Liquid-Immersed and Dry-Type Power and Distribution Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents) stabilisce la metodologia per il calcolo della capacità ridotta in caso di carico armonico.

Fattori di declassamento pratici:

Molti ingegneri applicano il derating 75-80% per le installazioni ad alto consumo di VFD quando non è disponibile un'analisi dettagliata delle armoniche. Questo sacrifica l'efficienza della capacità ma fornisce un margine termico contro i guasti prematuri.

I costi energetici annuali riflettono in modo sostanziale le differenze di efficienza. Un impianto che utilizza trasformatori alimentati da VFD per 8.000 ore all'anno a $0,12/kWh, registra $2.400-$4.800 costi energetici aggiuntivi per 100 kW di carico VFD collegato, quando si utilizzano trasformatori standard dimensionati in modo errato rispetto alle alternative con classificazione K specificate correttamente.

[Expert Insight: Derating vs K-Rating Economics]

• I trasformatori con classificazione K hanno un sovrapprezzo di 20-35% rispetto agli equivalenti standard.
• Un'unità standard da 630 kVA declassata che eroga 480 kVA effettivi può costare meno di un'unità K-13 da 500 kVA.
• Tuttavia, l'unità standard invecchia più rapidamente: si prevede una vita utile di 12-18 anni rispetto ai 25-30 anni della classe K.
• Il costo totale di proprietà è in genere favorevole alle specifiche K per un fattore di carico VFD >50%

Quattro strategie di selezione per le applicazioni dei trasformatori VFD

La selezione dei trasformatori per le installazioni VFD segue quattro approcci distinti, ciascuno adatto ai vincoli specifici del progetto.

Opzione 1: Trasformatore standard ridotto

Ideale per progetti di retrofit con armoniche moderate (K < 9) e budget limitati. Prevedere una riduzione della capacità di 15-40%. Costo iniziale inferiore ma rischio di invecchiamento accelerato dell'isolamento.

Opzione 2: Trasformatore K-Rated abbinato al profilo di carico

Ottimale per le nuove installazioni con popolazione di VFD nota. La piena capacità di targa rimane disponibile con i margini termici previsti. Il sovrapprezzo del 20-35% si ripaga con l'estensione della vita utile e la riduzione delle perdite di energia.

Opzione 3: Trasformatore di isolamento per azionamento

Adatto per azionamenti critici o apparecchiature sensibili a monte che richiedono il contenimento delle armoniche. Ogni VFD riceve una trasformazione dedicata con impedenza abbinata per la protezione del convertitore di frequenza. Costo totale elevato e ingombro significativo, ma isolamento massimo.

Opzione 4: Trasformatore standard più attenuazione delle armoniche

Efficace per gli investimenti in trasformatori esistenti o per la conformità allo standard IEEE 519 nel punto di accoppiamento comune. Le opzioni di mitigazione includono:

• Filtri passivi LC sintonizzati sulle armoniche di 5a e 7a.
• Filtri armonici attivi (AHF) che raggiungono <5% THD-I
• Configurazioni di azionamento a più impulsi (12 o 18 impulsi)

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Verifica sul campo: Confermare le prestazioni del trasformatore sotto carico armonico

La pre-commissione e la verifica continua assicurano che le decisioni di selezione dei trasformatori si traducano in prestazioni affidabili sul campo.

Requisiti pre-installazione

Condurre indagini in loco sulle armoniche quando i VFD esistenti operano in loco. Richiedere ai produttori di inverter i dati sullo spettro armonico in formato IEEE 519. Calcolare il fattore K aggregato prima di finalizzare le specifiche dei trasformatori.

Controlli di messa in servizio

Analizzatori della qualità dell'alimentazione in grado di rilevare le armoniche di corrente almeno fino al 25° ordine. Le immagini termiche dei serbatoi dei trasformatori, delle boccole e delle terminazioni dei cavi stabiliscono la distribuzione della temperatura di base. Verificare l'aumento della temperatura degli avvolgimenti entro i limiti della classe di isolamento: la classe F consente un aumento di 115°C, la classe H consente un aumento di 150°C per le unità a secco.

Segnali di allarme dello stress armonico

• Ronzio udibile a frequenze superiori al normale ronzio del trasformatore 100/120 Hz
• Elevata temperatura dell'olio o dell'avvolgimento a carichi apparenti moderati
• Degrado o scolorimento prematuro dell'isolamento
• Interventi di disturbo del relè termico senza sovraccarico apparente
• Riscaldamento del conduttore di neutro nei secondari collegati a filo di ferro

Per le installazioni che confrontano le prestazioni termiche in presenza di sollecitazioni armoniche, trasformatori a bagno d'olio offrono caratteristiche di dissipazione del calore diverse rispetto alle alternative a secco, in particolare quando le temperature ambientali superano i 40°C.

Fonte Trasformatori pronti per le armoniche di XBRELE

XBRELE produce trasformatori di distribuzione progettati per ambienti di carico non lineari, tra cui l'industria manifatturiera ad alta intensità di VFD, i data center e le industrie di processo, dove le correnti armoniche sono inevitabili.

Capacità ingegneristiche:

• Trasformatori a secco classificati K (da K-4 a K-20) con impregnazione sotto vuoto e a pressione
• Unità in bagno d'olio a tolleranza armonica con sistemi di raffreddamento potenziati
• Progetti di impedenza personalizzati (gamma 4-6%) per applicazioni di isolamento degli azionamenti
• Supporto tecnico per l'analisi dei carichi armonici e il dimensionamento dei trasformatori

Sia che si tratti di specificare una nuova apparecchiatura o di valutare la capacità esistente in presenza di carichi variabili, la consulenza tecnica assicura che il trasformatore corrisponda alle condizioni operative reali, non solo alle ipotesi di targa.

Contattate gli specialisti dei trasformatori di XBRELE per discutere il profilo di carico del vostro VFD e ricevere indicazioni sul dimensionamento specifico dell'applicazione.

Domande frequenti

Quale fattore K richiede la maggior parte delle installazioni di VFD?

Le strutture con popolazioni moderate di VFD (THD-I tra 30-50%) necessitano in genere di trasformatori di classe K-9 o K-13. I sistemi di azionamento a dodici impulsi di solito funzionano in modo soddisfacente con i valori nominali K-4, grazie alla riduzione del contenuto di quinta e settima armonica.

Quanta capacità si perde quando si declassa un trasformatore standard per i carichi VFD?

Prevedere una riduzione della capacità di 15-40% a seconda della gravità delle armoniche. Un trasformatore standard da 500 kVA che serve VFD a sei impulsi con 45% THD-I fornisce in genere solo 350-425 kVA di capacità utilizzabile prima di raggiungere i limiti termici.

I filtri passivi possono eliminare la necessità di trasformatori di classe K?

I filtri passivi LC sintonizzati sulle armoniche dominanti (5a e 7a) riducono il THD-I di 50-70%, portando spesso il fattore K effettivo al di sotto di 4. Ciò consente ai trasformatori standard di funzionare senza declassamenti significativi in molte applicazioni, anche se la manutenzione del filtro aggiunge costi continui.

Perché il mio trasformatore si surriscalda anche con un carico apparente di 70%?

Le correnti armoniche generano correnti parassite e perdite parassite invisibili agli amperometri standard. Un trasformatore con un carico di 70% può subire un riscaldamento interno equivalente a un carico di 95-110% quando serve carichi VFD con THD-I superiore a 35%.

Qual è la differenza di costo tipica tra i trasformatori standard e quelli K-13?

Le unità classificate K-13 hanno un sovrapprezzo di 25-35% rispetto ai trasformatori standard equivalenti. Tuttavia, i modelli con classificazione K forniscono la piena capacità di targa in presenza di carichi armonici e in genere raggiungono una durata di 25-30 anni rispetto ai 12-18 anni delle unità standard in servizio con VFD.

Come si verificano le prestazioni del trasformatore dopo l'installazione?

Analizzatori della qualità dell'alimentazione che misurano le armoniche di corrente fino al 25° ordine durante la messa in servizio. Esecuzione di immagini termiche per identificare i punti caldi sulle pareti del serbatoio, sulle boccole e sulle terminazioni. Andamento delle temperature degli avvolgimenti in base alla percentuale di carico mensile durante il primo anno di funzionamento.

I VFD a 18 impulsi eliminano completamente i problemi di armoniche del trasformatore?

Le configurazioni a diciotto impulsi riducono il THD-I a 5-8%, consentendo l'uso di trasformatori di classe K-4 o addirittura standard nella maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, la disposizione del trasformatore a sfasamento richiesta per il funzionamento a 18 impulsi aggiunge costi e ingombri che possono compensare i vantaggi del trasformatore con classificazione K.